(57)【要約】【課題】指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた半導体発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型のＳｉ基板１０１と、ｎ型基板１０１の裏面に設けられたｎ電極１０９と、ｎ型基板１０１の表面上にＡｌ単結晶を積層して形成された金属層１０２と、金属層１０２の表面上に形成された多孔部１１０ａ，１１０ｂを有する絶縁層１１０と、多孔部１１０ａ，１１０ｂによって露出した金属層１０２の表面上および絶縁層１１０の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層１０３，１０４，１０５，１０６，１０７と、この半導体層の表面上周辺部に設けられたｐ電極１０８とを備え、素子周辺部のｐ電極１０８の下部には相対的に疎な多孔部１１０ａを設けて相対的な電流密度を下げ、素子中央下部には相対的に密な多孔部１１０ｂを設けて電流密度を相対的に電流密度を上げ、素子全体で発光指向特性をフラットとする。【選択図】        図２
2005129682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に形成された金属層と、
前記金属層の表面上に形成された多孔部を有する絶縁層と、
前記多孔部によって露出した前記金属層の表面上および前記絶縁層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に部分的に設けられた第２の電極と
を備え、
電流密度が、前記第２の電極の下部で相対的に低く、前記半導体層の露出表面の下部で相対的に高くなるように前記多孔部を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に形成された金属層と、
前記金属層の表面上に形成された多孔部を有する絶縁層と、
前記多孔部によって露出した前記金属層の表面上および前記絶縁層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に部分的に設けられた第２の電極と
を備え、
電流が、前記第２の電極の下部で相対的に少なく、前記半導体層の露出表面の下部で相対的に多くなるように前記多孔部を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
前記電極下部で相対的に疎となり、前記半導体層露出表面下部で相対的に密となる前記多孔部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記電極下部で相対的に孔径が小さく、前記半導体層露出表面下部で相対的に孔径が大きい前記多孔部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に形成された金属層と、
前記金属層の表面上に形成された多孔部を有する絶縁層と、
前記多孔部によって露出した前記金属層の表面上および前記絶縁層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に部分的に設けられた第２の電極と
を備え、
電流密度が、素子中央下部で相対的に低く、素子周辺下部で相対的に高くなるように前記多孔部を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に形成された金属層と、
前記金属層の表面上に形成された多孔部を有する絶縁層と、
前記多孔部によって露出した前記金属層の表面上および前記絶縁層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に部分的に設けられた第２の電極と
を備え、
電流が、素子中央下部で相対的に少なく、素子周辺下部で相対的に多くなるように前記多孔部を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
前記素子中央下部で相対的に疎となり、前記素子周辺下部で相対的に密となる前記多孔部を設けたことを特徴とする請求項５または６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記素子中央下部で相対的に孔径が小さく、前記素子周辺下部で相対的に孔径が大きい前記多孔部を設けたことを特徴とする請求項５または６に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記多孔部が、前記基板の表面に達するように前記金属層にも設けられており、
前記半導体層が、前記多孔部によって露出した前記基板の表面上および前記絶縁層の表面上に形成されている
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に、ＡｌＡｓ単結晶層およびＧａｘＡｌ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された整合層と、
前記整合層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に設けられた第２の電極と
を備えた
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に、ＧａｘＡｌ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層およびＡｌＡｓ単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された第１の整合層と、
前記第１の整合層の表面上に、ＧａＡｓ単結晶層およびＧａＮ単結晶を交互にかつ多層に積層して形成された第２の整合層と、
前記第２の整合層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に設けられた第２の電極と
を備えた
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層およびＡｌＡｓ単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された第１の整合層と、
前記第１の整合層の表面上に、ＧａＡｓ単結晶層およびＧａＮ単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された第２の整合層と、
前記第２の整合層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に設けられた第２の電極と
を備えた
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１３】
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に、ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）単結晶層およびＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された整合層と、
前記整合層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に設けられた第２の電極と
を備えた
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１４】
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に、Ｉｎ０．５（ＧａｚＡｌ１−ｚ）０．５Ｐ（０＜ｚ＜１）単結晶層およびＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された整合層と、
前記整合層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に設けられた第２の電極と
を備えた
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１５】
前記基板の表面上に形成された金属層と、
前記金属層の表面上に形成された多孔部を有する絶縁層と
をさらに備え、
前記整合層または前記第１の整合層が、前記多孔部によって露出した前記金属層の表面上および前記絶縁層の表面上に形成されている
ことを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記基板が、Ｓｉ基板，ＧａＡｓ基板，サファイア基板，ＳｉＣ基板，ＧａＮ基板，ＡｌＮ基板，ＩｎＰ基板のいずれかであることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
前記金属層が、Ａｌ，Ｉｎ，Ａｕ，Ａｇ、またはその化合部物であることを特徴とする請求項１〜９、１５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記絶縁層が、ＳｉＯ２またはＳｉＮｘである請求項１〜９、１５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記ｐｎ接合を有する半導体層が、超格子構造で形成されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項２０】
前記整合層、前記第１の整合層、前記第２の整合層が、超格子構造で形成されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）、スーパールミネセンスダイオード（ＳＤＬ）等の半導体発光素子に関し、特に、素子全体で電流分布の片寄りをなくして指向特性が平坦な発光が得られる半導体発光素子、さらには、格子不整合が少なく、かつ高出力な半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩｎＧａＡｌＰ等の４元系化合物半導体を用いたＬＥＤ（赤，橙，黄），ＬＤや、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤ，ＬＤが量産されるようになった。
【０００３】
上記４元系化合物半導体を用いた従来の半導体発光素子では、例えば、４元系ＬＥＤをＧａＡｓ基板上に成長させた後、ＧａＡｓ基板部を削り取り、ＧａＰ基板等に貼り付けて、輝度を上げ、高出力化を図っていた。
【０００４】
また、上記窒化ガリウム系化合物半導体を用いた従来の半導体発光素子では、その混晶比を変化させることにより、紫外領域から赤外領域まで発光色を調整することができる。窒化ガリウム系化合物半導体の成長技術は、例えば特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平１１―２１４７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記４元系化合物半導体を用いた従来の半導体発光素子では、ＧａＡｓ基板部を削り取るための工数的ロスが多く、経済的ではなかった。また、４元系ＬＥＤでは、素子上面の電極直下での発光が最も大きく、そのかなりの部分が電極に遮蔽されて素子外に出てこないという問題があった。この問題は、電流ブロック層を電極下部に設けることにより対策されているが、電極下部に電流が流れないため、発光指向特性が素子中央部分で凹となる欠点があった。素子サイズが１［ｍｍ］×１［ｍｍ］と大型化するにつれ、この欠点がより顕著になってきた。
【０００６】
また、上記窒化ガリウム系化合物半導体を用いた従来の半導体発光素子では、ＧａＮは融点が高く（１，７００［℃］）、窒素の分解蒸気圧が高いためにバルクのＧａＮ基板の生産が難しく、格子定数や熱膨張係数がＧａＮと似たような基板が存在しないために、格子不整合が１４［％］と大きいサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板が使用されている。このため、貫通転位対策としてＧａＮ等のバッファー層を形成しても、１０９〜１０１０［ｃｍ−２］の貫通転位密度であった。この転位部分には不純物が集まりやすいため、発光層に不純物が進入して光出力が低下する欠点があった。また、ＧａＮ基板を用いた場合は格子不整合は少ないが、高価であり、使用できる基板は小型サイズとなって生産性に問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の第１の半導体発光素子は、
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に形成された金属層と、
前記金属層の表面上に形成された多孔部を有する絶縁層と、
前記多孔部によって露出した前記金属層の表面上および前記絶縁層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に部分的に設けられた第２の電極と
を備え、
電流密度が、前記第２の電極の下部で相対的に低く、前記半導体層の露出表面の下部で相対的に高くなるように前記多孔部を設けたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の半導体発光素子は、
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に形成された金属層と、
前記金属層の表面上に形成された多孔部を有する絶縁層と、
前記多孔部によって露出した前記金属層の表面上および前記絶縁層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に部分的に設けられた第２の電極と
を備え、
電流が、前記第２の電極の下部で相対的に少なく、前記半導体層の露出表面の下部で相対的に多くなるように前記多孔部を設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３の半導体発光素子は、
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に形成された金属層と、
前記金属層の表面上に形成された多孔部を有する絶縁層と、
前記多孔部によって露出した前記金属層の表面上および前記絶縁層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に部分的に設けられた第２の電極と
を備え、
電流密度が、素子中央下部で相対的に低く、素子周辺下部で相対的に高くなるように前記多孔部を設けたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第４の半導体発光素子は、
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に形成された金属層と、
前記金属層の表面上に形成された多孔部を有する絶縁層と、
前記多孔部によって露出した前記金属層の表面上および前記絶縁層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に部分的に設けられた第２の電極と
を備え、
電流が、素子中央下部で相対的に少なく、素子周辺下部で相対的に多くなるように前記多孔部を設けたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第５の半導体発光素子は、
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に、ＡｌＡｓ単結晶層およびＧａｘＡｌ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された整合層と、
前記整合層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に設けられた第２の電極と
を備えた
ことを特徴とする。
【００１３】
本発明の第６の半導体発光素子は、
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に、ＧａｘＡｌ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層およびＡｌＡｓ単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された第１の整合層と、
前記第１の整合層の表面上に、ＧａＡｓ単結晶層およびＧａＮ単結晶を交互にかつ多層に積層して形成された第２の整合層と、
前記第２の整合層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に設けられた第２の電極と
を備えた
ことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第７の半導体発光素子は、
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層およびＡｌＡｓ単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された第１の整合層と、
前記第１の整合層の表面上に、ＧａＡｓ単結晶層およびＧａＮ単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された第２の整合層と、
前記第２の整合層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に設けられた第２の電極と
を備えた
ことを特徴とする。
【００１５】
本発明の第８の半導体発光素子は、
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に、ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）単結晶層およびＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された整合層と、
前記整合層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に設けられた第２の電極と
を備えた
ことを特徴とする。
【００１６】
本発明の第９の半導体発光素子は、
半導体単結晶からなる基板と、
前記基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記基板の表面上に、Ｉｎ０．５（ＧａｚＡｌ１−ｚ）０．５Ｐ（０＜ｚ＜１）単結晶層およびＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層を交互にかつ多層に積層して形成された整合層と、
前記整合層の表面上に積層形成されたｐｎ接合を有する半導体層と、
前記ｐｎ接合を有する半導体層の表面上に設けられた第２の電極と
を備えた
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、基板の表面上に金属層を形成し、その上に多孔部を有する絶縁層を形成し、多孔部の配設密度や孔径等を領域によって変化させて、電流密度や電流を領域によって異なる値に設定することにより、あるいは基板の表面上に異なる２つの単結晶層を交互にかつ多層の積層してなる整合層を形成することにより、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた半導体発光素子を実現できるという効果がある。例えば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた４元系ＬＥＤ，４元系ＬＤ，青色ＬＥＤ，青色ＬＤ，紫外ＬＥＤ，紫外ＬＤを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１である４元系ＬＥＤの基本的な構成を示す図である。図１において、実施の形態１の素子サイズは１．０［ｍｍ］×１．０［ｍｍ］以上であり、従来サイズ０．３［ｍｍ］×０．３［ｍｍ］よりも大きい。
【００１９】
図１において、実施の形態１のＬＥＤは、基板１０１と、金属層１０２と、絶縁層１１０と、ｎ型コンタクト層１０３と、ｎ型クラッド層１０４と、発光層１０５と、ｐ型クラッド層１０６と、ｐ型コンタクト層１０７と、ｐ電極１０８，１０８’と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。
［基板１０１，金属層１０２，絶縁層１１０］
基板１０１は、ｎ型のＳｉ（ｎ−Ｓｉ）からなる。このｎ型基板１０１の表面上には、Ａｌ単結晶を積層した金属層１０２が形成されている。金属層１０２の表面上には、ＳｉＯ２からなり、多孔部を有する絶縁層１１０が形成されている。
［ｎ型コンタクト層１０３，ｎ型クラッド層１０４，発光層１０５］
多孔部を有するＳｉＯ２絶縁層１１０の表面上には、ｎ型のＧａＰ（ｎ−ＧａＰ）からなるコンタクト層１０３が形成されている。ｎ型コンタクト層１０３の表面上には、ｎ型のＩｎＧａＮ（ｎ−ＩｎＧａＮ）からなるクラッド層１０４が形成されている。ｎ型クラッド層１０４の表面上には、ＩｎＧａＡｌＰからなる発光層１０５が形成されている。
［ｐ型クラッド層１０６，ｐ型コンタクト層１０７］
発光層１０５の表面上には、ｐ型のＩｎＧａＮ（ｐ−ＩｎＧａＮ）からなるクラッド層１０６が形成されている。ｐ型クラッド層１０６の表面上には、ｐ型のＧａＰ（ｐ−ＧａＰ）からなるコンタクト層１０７が形成されている。
［ｐ電極１０８，１０８’，ｎ電極１０９］
ｐ型コンタクト層１０７の表面（素子表面）には、Ａｕ等からなるｐ電極１０８，１０８’が形成されており、基板１０１の裏面（素子裏面）には、Ａｕ等からなるｎ電極１０９が形成されている。
【００２０】
図１の実施の形態１のＬＥＤの素子サイズは、１．０［ｍｍ］×１．０［ｍｍ］以上と大きいため、素子周辺部にワイヤーボンド可能な広さ（例えば０．５［ｍｍ］）を有するストライプ状のｐ電極１０８を形成する。また、素子中央部には、例えば幅０．１５［ｍｍ］のメッシュ構造のｐ電極１０８’を形成する。
【００２１】
ここで、Ａｌ単結晶金属層１０２は、厚さ（層厚）１〜２［μｍ］であり、有機金属化合物気相成長方法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）や分子線エピタキシャル成長法（以下、ＭＢＥ法という）等の気相成長方法で成長させたものである。多孔部を有するＳｉＯ２絶縁層１１０は、Ａｌ単結晶金属層１０２の表面上にＣＶＤ法でＳｉＯ２層を形成した後、エッチング等によりＡｌ単結晶金属層１０２の表面に達する多孔部を開けたものである。ｎ−ＧａＰコンタクト層１０３は、多孔部を設けたＳｉＯ２絶縁層１１０上に、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法等の気相成長方法で成長させたものである。このｎ−ＧａＰコンタクト層１０３は、多孔部下のＡｌ単結晶金属層１０２上に成長する。
【００２２】
Ａｌ単結晶金属層１０２の格子定数は４．０５、ｎ−ＧａＰコンタクト層１０３の格子定数は５．４５であるため、（５．４５×３）／（４．０５×４）＝１６．３５／１６．２＝１．００９２となり、格子不整合率は０．９２［％］である。ｎ−ＧａＰコンタクト層１０３は、ＳｉＯ２絶縁層１１０上では横方向成長するため、Ａｌ単結晶金属層１０２とｎ−ＧａＰコンタクト層１０３の格子不整合による結晶性は、上記格子不整合率の１／３０となり、０．９２［％］×１／３０＝０．０３［％］となり、格子不整合による結晶性は改善される。
【００２３】
ｎ型Ｓｉ基板１０１の熱伝導率は１５１［Ｗ／ｍＫ］、Ａｌ金属層１０２の熱伝導率は６．３×１０４［Ｗ／ｍＫ］、ｎ−ＧａＰコンタクト層１０３の熱伝導率は１１０［Ｗ／ｍＫ］となり、放熱性のよい素子構造となる。
【００２４】
ｎ−ＧａＰコンタクト層１０３の表面上には、例えばｎ型のＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ｎからなるクラッド層１０４が形成される。このｎ型クラッド層１０４の表面上には、例えばＩｎ０．３６Ｇａ０．４４Ａｌ０．２Ｐからなり、波長６２０［ｎｍ］の赤色光を発光する発光層１０５が形成される。この発光層１０５の表面上には、例えばｐ型のＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ｎからなるクラッド層１０６が形成される。
【００２５】
ｎ−ＧａＰコンタクト層１０３，ｎ−ＩｎＧａＮクラッド層１０４，ＩｎＧａＡｌＰ発光層１０５，ｐ−ＩｎＧａＮクラッド層１０６，ｐ−ＧａＰコンタクト層１０７は、ＭＯＣＶＤ法により順次連続して積層形成される。格子不整合は少なく、結晶性は、Ｓｉ基板の１０４［ｃｍ−２］レベルで上方向に成長し、赤色ＬＥＤは低ＶＦ化、高出力化ができる。
【００２６】
ｎ−Ｓｉ基板１０１は、上部の発光層１０５からの光を吸収するため、出力が減少するが、Ａｌ金属層１０２にて反射層を形成することにより、発光層１０５からｎ型Ｓｉ基板１０１へ向かう光を反射させて輝度を高めた。
【００２７】
ｎ−Ｓｉ基板１０１は、サファイア基板やＧａＮ基板よりも安価であり、ウエハーサイズも大きく、作業性もよい。
【００２８】
また、この実施の形態１のＬＥＤでは、ｎ型Ｓｉ基板１０１の裏面にＡｕ等によるｎ電極１０９を備え、素子形状が段差構造でないため、従来の組立では２ワイヤー必要なのに対し、１ワイヤーで済み、生産性がよい。
【００２９】
図２は本発明の実施の形態１である赤色ＬＥＤの電流密度が、ｐ電極１０８下部で相対的に低く、ｐ電極１０８’下部で相対的に高くなるようにする基本的な構成を示す図である。
【００３０】
図２において、素子表面周辺部に配置されたｐ電極１０８の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に密度の低い多孔部１１０ａを設け、素子表面中央部の配置されたｐ電極１０８’の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に密度の高い多孔部１１０ｂを設けることにより、素子周辺部のｐ電極１０８の下部においての電流Ｉ１の電流密度を、略３２［Ａ／ｃｍ２］として相対的に低く、素子中央部のｐ電極１０８’の下部においての電流Ｉ２の電流密度を、略４６［Ａ／ｃｍ２］として相対的に高くなるようにしたものである。
【００３１】
従来の４元系ＬＥＤにおいては、素子上面の電極直下での発光が最も大きく、そのかなりの部分が電極に遮蔽されて素子外に出てこない問題があった。この問題は、電流ブロック層を電極下部に設けることにより対策されているが、電極下部に電流が流れないため、発光指向特性が凹になる欠点があった。
【００３２】
そこで、この実施の形態１のＬＥＤでは、素子周辺部のｐ電極１０８下部の電流密度を下げ、素子中央部のｐ電極１０８’下部の電流密度を上げ、素子全体で８００［ｍＡ］の電流が均一に流れるようにして、発光量を素子中央部と素子周辺部で同じになるようにして、発光指向特性をフラットにしている。
【００３３】
また、図２では、素子中央部に大きな電極がないため、光量のロスもなく、電流ブロック層を設ける必要もない。
【００３４】
図３は本発明の実施の形態１である赤色ＬＥＤの電流密度が電極下部で相対的に低く、電極下部周辺部で相対的に高くなるようにする他の基本的な構成を示す図である。
【００３５】
図３において、素子表面周辺部に配置されたｐ電極１０８の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に孔径ｃ＝０．４［μｍ］の多孔部１１０ｃを設け、素子表面中央部に配置されたｐ電極１０８’の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に孔径ｄ＝０．６［μｍ］の多孔部１１０ｄを設け、ｃ＜ｄとし、孔ピッチＬ＝１［μｍ］で一定にすることにより、素子周辺部のｐ電極１０８の下部においての電流Ｉ１の電流密度が相対的には低く、素子中央部のｐ電極１０８’の下部においての電流Ｉ２の電流密度が相対的に高くなるようにしたものである。なお、この図３のＬＥＤの効果については、上記図２のＬＥＤと同様である。
【００３６】
以上のように実施の形態１によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた赤色ＬＥＤを実現できる。
実施の形態２
図４は本発明の実施の形態２である赤色ＬＥＤの基本的な構成を示す図であり、上記図１と同様のものには同じ符号を付してある。図４の実施の形態２のＬＥＤの素子サイズは、例えば０．７［ｍｍ］×０．７［ｍｍ］である。
【００３７】
図４において、実施の形態２のＬＥＤは、基板１０１と、金属層１０２と、絶縁層１１０と、ｎ型コンタクト層１０３と、ｎ型クラッド層１０４と、発光層１０５と、ｐ型クラッド層１０６と、ｐ型コンタクト層１０７と、ｐ電極２０８と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。
【００３８】
この実施の形態２のＬＥＤは、上記実施の形態１のＬＥＤ（上記図１参照）において、ｐ電極１０８，１０８’をｐ電極２０８とした構成である。
［ｐ電極２０８］
ｐ型コンタクト層１０７の表面の中央部（素子表面中央部）には、Ａｕ等からなるｐ電極２０８が形成されている。このｐ電極２０８は、例えば０．１［ｍｍφ］のサイズである。
【００３９】
この実施の形態２のＬＥＤは、上記実施の形態１のＬＥＤよりも素子サイズが小さい（０．７［ｍｍ］×０．７［ｍｍ］）ため、ｐ電極２０８は素子中央部に形成される。
【００４０】
図５は本発明の実施の形態２である赤色ＬＥＤの電流密度が、ｐ電極２０８下部で相対的に低く、素子周辺部で相対的に高くなるようにする基本的な構成を示す図である。
【００４１】
図５において、素子表面中央部に配置されたｐ型電極２０８の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に配置密度の低い多孔部１１１ａ（孔径０．５［μｍ］，孔ピッチ１．８［μｍ］）を設け、素子表面周辺部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に配置密度の高い多孔部１１１ｂ（孔径０．５［μｍ］，孔ピッチ１．２［μｍ］）を設けて、素子中央部のｐ電極２０８の下部においての電流Ｉ１の電流密度を略３２［Ａ／ｃｍ２］として相対的に低く、素子周辺部においての電流Ｉ２の電流密度を略４６［Ａ／ｃｍ２］として相対的に高くなるようにしたものである。
【００４２】
従来４元系ＬＥＤにおいては、素子上面の電極直下での発光が最も大きく、そのかなりの部分が電極に遮蔽されて素子外に出てこない問題があった。この問題は、電流ブロック層を電極下部に設けることにより対策されているが電極下部に電流が流れないため発光指向特性が凹になる欠点があった。
【００４３】
そこで、この実施の形態２のＬＥＤでは、素子周辺部の電流密度を上げ、素子中央部の電極下部の電流密度を下げ、素子全体で４００［ｍＡ］の電流が均一に流れるようにしている。
【００４４】
ｐ電極２０８は、素子中央部にあるが、サイズが０．１［ｍｍφ］であり、Ａｌ単結晶金属層１０２（反射層）の面積０．７［ｍｍ］×０．７［ｍｍ］と比較して面積比１．６［％］であるため、影響がない。
【００４５】
また、この実施の形態２のＬＥＤでは、素子上部に電流ブロック層を設けていないためｐ電極２０８の下部においても発光するが、素子中央部の電流密度を素子周辺部よりも低くすることにより、発光量を素子中央部と素子周辺部とで同じにできるため、発光指向特性をフラットにすることができる。
【００４６】
図６は本発明の実施の形態２である赤色ＬＥＤの電流密度が、ｐ電極２０８下部で相対的に低く、素子周辺部で相対的に高くなるようにする他の基本的な構成を示す図である。
【００４７】
図６において、素子表面中央部に配置されたｐ電極２０８の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に孔径ｃ＝０．４［μｍ］の多孔部１１１ｃを設け、素子表面周辺部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に孔径ｄ＝０．６［μｍ］の多孔部１１１ｄを設け、ｃ＜ｄとし、孔ピッチＬ＝１［μｍ］と一定にすることにより、素子周辺部においての電流Ｉ１の電流密度が相対的に高く、素子中央部のｐ電極２０８の下部においての電流Ｉ２の電流密度が相対的に低くなるようにしたものである。なお、この図６のＬＥＤの効果については、上記図５のＬＥＤと同様であり、発光量を素子中央部と素子周辺部とで同じにできるため、発光指向特性をフラットにすることができる。
【００４８】
以上のように実施の形態２によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた赤色ＬＥＤを実現できる。
実施の形態３
図７は本発明の実施の形態３である青色ＬＥＤの基本的な構成を示す図であり、上記図１と同様のものについては同じ符号を付してある。図７の実施の形態３のＬＥＤの素子サイズは、例えば１．０［ｍｍ］×１．０［ｍｍ］であって、大型である。
【００４９】
図７において、実施の形態３のＬＥＤは、基板１０１と、金属層１０２と、絶縁層１１０と、ｎ型コンタクト層２０３と、ｎ型クラッド層２０４と、発光層２０５と、ｐ型クラッド層２０６と、ｐ型コンタクト層２０７と、ｐ電極１０８，１０８’と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。
【００５０】
この実施の形態３のＬＥＤは、上記実施の形態１のＬＥＤ（上記図１参照）において、ｎ型コンタクト層１０３，ｎ型クラッド層１０４，発光層１０５，ｐ型クラッド層１０６，ｐ型コンタクト層１０７を、それぞれｎ型コンタクト層２０３，ｎ型クラッド層２０４，発光層２０５，ｐ型クラッド層２０６，ｐ型コンタクト層２０７とした構成である。
［ｎ型コンタクト層２０３，ｎ型クラッド層２０４，発光層２０５，ｐ型クラッド層２０６，ｐ型コンタクト層２０７］
多孔部を有するＳｉＯ２絶縁層１１０の表面上には、ｎ型のＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）からなるコンタクト層２０３が形成されている。ｎ型コンタクト層２０３の表面上には、ｎ型のＧａＡｌＮ（ｎ−ＧａＡｌＮ）からなるクラッド層２０４が形成されている。ｎ型クラッド層２０４の表面上には、ＩｎＧａＮからなる発光層２０５が形成されている。発光層２０５の表面上には、ｐ型のＧａＡｌＮ（ｐ−ＧａＡｌＮ）からなるクラッド層２０６が形成されている。ｐ型クラッド層２０６の表面上には、ｐ型のＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）からなるコンタクト層２０７が形成されている。
【００５１】
ここで、Ａｌ単結晶金属層１０２は、厚さ（層厚）１〜２［μｍ］であり、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法等の気相成長方法で成長させたものである。多孔部を有するＳｉＯ２絶縁層１１０は、Ａｌ単結晶金属層１０２の表面上にＣＶＤ法でＳｉＯ２層を形成した後、エッチング等によりＡｌ単結晶金属層１０２の表面に達する多孔部を開けたものである。ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３は、多孔部を設けたＳｉＯ２絶縁層１１０上に、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法等の気相成長方法で成長させたものである。このｎ−ＧａＮコンタクト層２０３は、多孔部下のＡｌ単結晶金属層１０２上に成長し、ＳｉＯ２絶縁層１１０上では横方向成長するため、格子不整合による結晶性は１０６［ｃｍ−２］に改善される。
【００５２】
ｎ型Ｓｉ基板１０１の熱伝導率は１５１［Ｗ／ｍＫ］、Ａｌ金属層１０２の熱伝導率は６．３×１０４［Ｗ／ｍＫ］、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３の熱伝導率は１３０［Ｗ／ｍＫ］となり、放熱性のよい構造となる。
【００５３】
ｎ型クラッド層２０４は、例えばｎ型のＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎからなる。発光層２０５は、例えばＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎからなり、青色光（波長４５０〜４８０［ｎｍ］）を発光する。ｐ型クラッド層２０６は、例えばｐ型のＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎからなる。ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層２０４，ＩｎＧａＮ発光層２０５，ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層２０６，ｐ−ＧａＮコンタクト層２０７は、ＭＯＣＶＤ法により順次連続して積層形成される。
【００５４】
格子不整合による結晶性は、従来が１０９〜１０１０［ｃｍ−２］で１４［％］の格子定数であるため、Ａｌ単結晶金属層１０２では、（１０９〜１０１０［ｃｍ−２］）×０．９２［％］／１４［％］＝６．６×１０７〜６．６×１０８［ｃｍ−２］である。また、Ａｌ単結晶金属層１０２は、ＳｉＯ２絶縁層１１０上では横方向成長して１／３０となるため、６．６×１０７〜６．６×１０８［ｃｍ−２］×１／３０＝２．２×１０６〜２．２×１０７［ｃｍ−２］に改善され、青色ＬＥＤは低ＶＦ化、高出力化ができる。
【００５５】
ｎ型Ｓｉ基板１０１は、上部の発光層２０５からの光を吸収するため、出力が減少するが、Ａｌ金属層１０２にて反射層を形成することにより、発光層２０５からｎ型Ｓｉ基板１０１へ向かう光を反射させて輝度を高めた。
【００５６】
Ｓｉ基板１０１は、サファイア基板やＧａＮ基板よりも安価であり、ウエハーサイズも大きく、作業性もよい。
【００５７】
図８は本発明の実施の形態３である青色ＬＥＤの電流密度が、ｐ電極１０８下部で相対的に低く、ｐ電極１０８’下部で相対的に高くなるようにする基本的な構成を示す図である。
【００５８】
図８において、素子表面周辺部に配置されたｐ電極１０８の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に配置密度の低い多孔部１１０ａ（孔径０．５［μｍ］，孔ピッチ１．８［μｍ］）を設け、素子表面中央部に配置されたｐ電極１０８’の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に配置密度に高い多孔部１１０ｂ（孔径０．５［μｍ］，孔ピッチ１．２［μｍ］）を設けることにより、素子周辺部のｐ電極１０８の下部においての電流Ｉ１の電流密度を、略３２［Ａ／ｃｍ２］として相対的に低く、素子中央部のｐ電極１０８’の下部においての電流Ｉ２の電流密度を略４６［Ａ／ｃｍ２］として相対的に高くなるようにしたものである。
【００５９】
従来の青色ＬＥＤにおいては、素子上面の電極直下での発光が最も大きく、そのかなりの部分が電極に遮蔽されて素子外に出てこない問題があった。この問題は、電流ブロック層を電極下部に設けることにより対策されているが、電極下部に電流が流れないため、発光指向特性が凹になる欠点があった。
【００６０】
そこで、この実施の形態３のＬＥＤでは、素子周辺部のｐ電極１０８下部の電流密度を下げ、素子中央部のｐ電極１０８’下部の電流密度を上げ、素子全体で８００［ｍＡ］の電流が均一に流れるようにして、発光量を素子中央部と素子周辺部で同じになるようにして、発光指向特性をフラットにしている。
【００６１】
図９は本発明の実施の形態３である青色ＬＥＤの電流密度が、ｐ電極１０８下部で相対的に低く、ｐ電極１０８’下部で相対的に高くなるようにする他の基本的な構成を示す図である。
【００６２】
図９において、素子表面周辺部に配置されたｐ電極１０８の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に孔径ｃ＝０．４［μｍ］の多孔部１１０ｃを設け、素子表面中央部に配置されたｐ電極１０８’の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に孔径ｄ＝０．６［μｍ］の多孔部１１０ｄを設け、ｃ＜ｄとし、孔ピッチＬ＝１［μｍ］と一定にすることにより、素子周辺部のｐ電極１０８の下部においての電流Ｉ１の電流密度が電極１０８下部で相対的に低く、素子中央部のｐ電極１０８’の下部においての電流Ｉ２の電流密度が相対的に高くなるようにしたものである。なお、この図９のＬＥＤの効果については、上記図８のＬＥＤと同様である。
【００６３】
以上のように実施の形態３によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた青色ＬＥＤを実現できる。
実施の形態４
図１０は本発明の実施の形態４である青色ＬＥＤの基本的な構成を示す図であり、上記図４または図７と同様のものについては同じ符号を付してある。図１０の実施の形態４のＬＥＤの素子サイズは、例えば０．７［ｍｍ］×０．７［ｍｍ］である。
【００６４】
図１０において、実施の形態４のＬＥＤは、基板１０１と、金属層１０２と、絶縁層１１０と、ｎ型コンタクト層２０３と、ｎ型クラッド層２０４と、発光層２０５と、ｐ型クラッド層２０６と、ｐ型コンタクト層２０７と、ｐ電極２０８と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。
【００６５】
この実施の形態４のＬＥＤは、上記実施の形態３のＬＥＤ（上記図７参照）において、ｐ電極１０８，１０８’をｐ電極２０８（上記図４参照）とした構成である。
【００６６】
格子不整合による結晶性は、Ｓｉ基板の１０４［ｃｍ−２］により１０６［ｃｍ−２］に改善されるため、青色ＬＥＤは低ＶＦ化、高出力化ができる。
【００６７】
この実施の形態４のＬＥＤが上記実施の形態３のＬＥＤ（上記図７参照）と異なるのは、素子表面（素子上面）にＡｕ等によるｐ型電極２０８を備えており、上記実施の形態３のＬＥＤよりも素子サイズが小さい（０．７［ｍｍ］×０．７［ｍｍ］）ため、ｐ電極２０８は素子中央部に形成される。
【００６８】
図１０において、ｐ電極２０８は素子中央にあるが、サイズが０．１［ｍｍφ］であり、Ａｌ単結晶金属層１０２（反射層）の面積０．７［ｍｍ］×０．７［ｍｍ］と比較して面積比１．６％であるため、影響が少ない。
【００６９】
図１１は本発明の実施の形態４である青色ＬＥＤの電流密度が、ｐ電極２０８下部で相対的に低く、素子周辺部で相対的に高くなるようにする基本的な構成を示す図である。
【００７０】
図１１において、素子表面中央部に配置されたｐ型電極２０８の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に配置密度の低い多孔部１１１ａ（孔径０．５［μｍ］，孔ピッチ１．２［μｍ］）を設け、素子表面周辺部においては、配置密度の高い多孔部１１１ｂ（孔径０．５［μｍ］，孔ピッチ０．８［μｍ］）を設けて、素子中央部のｐ電極２０８の下部においての電流Ｉ１の電流密度が略３２［Ａ／ｃｍ２］として相対的に低く、素子周辺部においての電流Ｉ２の電流密度が略４６［Ａ／ｃｍ２］として素子周辺部で相対的に高くなるようにしたものである。
【００７１】
従来の青色ＬＥＤにおいては、素子上面の電極直下での発光が最も大きく、そのかなりの部分が電極に遮蔽されて素子外に出てこないため、発光指向特性が凹になる欠点があった。
【００７２】
そこで、この実施の形態４のＬＥＤでは、素子周辺部の電流密度を上げ、素子中央部の電極下部の電流密度を下げ、素子全体で４００［ｍＡ］の電流が均一に流れるようにし、、これにより発光量が素子中央部と素子周辺部で同じとなるようにして、発光指向特性をフラットにしている。また、素子上部に電流ブロック層を設ける必要もない。
【００７３】
図１２は本発明の実施の形態４である青色ＬＥＤの電流密度が、ｐ電極２０８下部で相対的に低く、素子周辺部で相対的に高くなるようにする他の基本的な構成を示す図である。
【００７４】
図１２において、素子表面中央部に配置されたｐ電極２０８の下部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に孔径ｃ＝０．４［μｍ］の多孔部１１１ｃを設け、素子表面周辺部においては、ＳｉＯ２絶縁層１１０に孔径ｄ＝０．６［μｍ］の多孔部１１１ｄを設け、ｃ＜ｄとし、孔ピッチＬ＝１［μｍ］と一定にすることにより、素子周辺部においての電流Ｉ１の電流密度が相対的に高く、素子中央部のｐ電極２０８の下部においての電流Ｉ２の電流密度が相対的に低くなるようにしたものである。なお、この図１２のＬＥＤの効果については、上記図１１のＬＥＤと同様である。
【００７５】
以上のように実施の形態４によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた青色ＬＥＤを実現できる。
実施の形態５
図１３は本発明の実施の形態５である青色ＬＥＤの基本的な構成を示す図であり、上記図８と同様のものについては同じ符号を付してある。図１３の実施の形態５のＬＥＤの素子サイズは、例えば１．０［ｍｍ］×１．０［ｍｍ］であって、大型である。
【００７６】
図１３において、実施の形態５のＬＥＤは、基板１０１と、金属層２０２と、絶縁層１１０と、ｎ型コンタクト層２０３と、ｎ型クラッド層２０４と、発光層２０５と、ｐ型クラッド層２０６と、ｐ型コンタクト層２０７と、ｐ電極１０８，１０８’と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。
【００７７】
この実施の形態５のＬＥＤは、上記実施の形態３のＬＥＤ（上記図８参照）において、金属層１０２を金属層２０２とした構成である。
［金属層２０２］
金属層２０２は、上記実施の形態１のＡｌ単結晶が積層された金属層１０２に多孔部１１０ａ，１１０ｂを設けたものである。
【００７８】
多孔部をもつＳｉＯ２絶縁層１１０は、ＣＶＤ法で成長させた後、エッチング等によりＡｌ金属層２０２を通ってＳｉ基板１０１に至るまで多孔部１１０ａ，１１０ｂを開ける。この多孔部１１０ａ，１１０ｂを有するＡｌ単結晶金属層２０２の断面部より、Ｓｉ基板１０１上にｎ−ＧａＮコンタクト層２０３を、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等の気相成長法で横方向成長させる。このｎ−ＧａＮコンタクト層２０３は、Ａｌ単結晶金属層２０２の断面部より、Ｓｉ基板１０１上に横方向成長し、多孔部を埋めた後、ＳｉＯ２絶縁層１１０上ではさらに横方向成長する。
【００７９】
Ａｌ単結晶金属層２０２の断面部とｎ−ＧａＮコンタクト層２０３の格子不整合率は５［％］となるが、サファイア基板の１４［％］に比較して１／３である。また、多孔部の面積は、ウエハー面積の１/３である。また、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３はＳｉ基板１０１上を横方向成長するため、格子不整合による結晶性は上記格子不整合率の１／３０となる。このため、格子不整合による結晶性および貫通転位密度は、従来の１／３×１／３×１／３０＝１／２７０となる。従来の貫通転位密度１０９〜１０１０［ｃｍ−２］としても、この実施の形態５では、格子不整合による結晶性（貫通転位密度）は、３．７×１０６〜３．７×１０７［ｃｍ−２］に改善される。
【００８０】
ｎ型Ｓｉ基板１０１の熱伝導率は１５１［Ｗ／ｍＫ］、Ａｌ金属層２０２の熱伝導率は６．３×１０４［Ｗ／ｍＫ］、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３の熱伝導率は１３０［Ｗ／ｍＫ］となり、放熱性のよい構造となる。
【００８１】
格子不整合による結晶性は、Ｓｉ基板の１０４［ｃｍ−２］により１０５〜１０６［ｃｍ−２］に改善されるため、青色ＬＥＤは低ＶＦ化、高出力化ができる。
【００８２】
以上のように実施の形態５によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた青色ＬＥＤを実現できる。
【００８３】
なお、上記実施の形態５において、金属層２０２および絶縁層１１０に多孔部１１０ｃ，１１０ｄを設けた構成とすることも可能である。
実施の形態６
図１４は本発明の実施の形態６である青色ＬＥＤの基本的な構成を示す図であり、上記図１２または上記１３と同様のものには同じ符号を付してある。
【００８４】
図１４において、実施の形態６のＬＥＤは、基板１０１と、金属層２０２と、絶縁層１１０と、ｎ型コンタクト層２０３と、ｎ型クラッド層２０４と、発光層２０５と、ｐ型クラッド層２０６と、ｐ型コンタクト層２０７と、ｐ電極２０８と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。
【００８５】
この実施の形態６のＬＥＤは、上記実施の形態５のＬＥＤ（上記図１３参照）において、ｐ電極１０８，１０８’をｐ電極２０８とし、金属層２０２および絶縁層１１０に多孔部１１１ｃ，１１１ｄを設けた構成である。
【００８６】
多孔部をもつＳｉＯ２絶縁層１１０は、ＣＶＤ法で成長させた後、エッチング等によりＡｌ金属層２０２を通ってＳｉ基板１０１に至るまで多孔部１１１ｃ，１１１ｄを開ける。この多孔部１１１ｃ，１１１ｄを有するＡｌ単結晶金属層２０２の断面部より、Ｓｉ基板１０１上にｎ−ＧａＮコンタクト層２０３を、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等の気相成長法で横方向成長させる。このｎ−ＧａＮコンタクト層２０３は、Ａｌ単結晶金属層２０２の断面部より、Ｓｉ基板１０１上に横方向成長し、多孔部を埋めた後、ＳｉＯ２絶縁層１１０上ではさらに横方向成長する。
【００８７】
Ａｌ単結晶金属層２０２の断面部とｎ−ＧａＮコンタクト層２０３の格子不整合率は５［％］となるが、サファイア基板の１４［％］に比較して１／３である。また、多孔部の面積は、ウエハー面積の１/３である。また、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３はＳｉ基板１０１上を横方向成長するため、格子不整合による結晶性は上記格子不整合率の１／３０となる。このため、格子不整合による結晶性および貫通転位密度は、従来の１／３×１／３×１／３０＝１／２７０となる。従来の貫通転位密度１０９〜１０１０［ｃｍ−２］としても、この実施の形態５では、格子不整合による結晶性（貫通転位密度）は、３．７×１０６〜３．７×１０７［ｃｍ−２］に改善される。
【００８８】
ｎ型Ｓｉ基板１０１の熱伝導率は１５１［Ｗ／ｍＫ］、Ａｌ金属層２０２の熱伝導率は６．３×１０４［Ｗ／ｍＫ］、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３の熱伝導率は１３０［Ｗ／ｍＫ］となり、放熱性のよい構造となる。
【００８９】
格子不整合による結晶性は、Ｓｉ基板の１０４［ｃｍ−２］により１０５〜１０６［ｃｍ−２］に改善されるため、青色ＬＥＤは低ＶＦ化、高出力化ができる。
【００９０】
以上のように実施の形態６によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた青色ＬＥＤを実現できる。
【００９１】
なお、上記実施の形態６において、金属層２０２および絶縁層１１０に多孔部１１１ａ，１１１ｂを設けた構成とすることも可能である。
実施の形態７
図１５は本発明の実施の形態７である青色ＬＥＤの基本的な構成を示す図であり、上記図１０と同様のものには同じ符号を付してある。
【００９２】
図１５において、実施の形態７のＬＥＤは、基板２０１と、整合層１１２と、ｎ型コンタクト層２０３と、発光層２０５と、ｐ型クラッド層２０６と、ｐ型コンタクト層２０７と、ｐ電極２０８と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。
【００９３】
この実施の形態７のＬＥＤは、上記実施の形態４のＬＥＤ（上記図１０参照）において、基板１０１を基板２０１とし、金属層１０２および絶縁層１１０を整合層１１２とし、ｎ型クラッド層２０４を設けない構成である。
［基板２０１，整合層１１２］
基板２０１は、ｎ型のＧａＡｓ（ｎ−ＧａＡｓ）からなる。このｎ型基板２０１の表面上には、ｎ型のＡｌＡｓ（ｎ−ＡｌＡｓ）単結晶層とｎ型のＧａＡｌＮ（ｎ−ＧａＡｌＮ）単結晶層とが多層に交互に積層されたｎ型整合層１１２が形成されている。ｎ型整合層１１２の表面上には、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３が形成されており、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３の表面上には、発光層２０５が形成されている。
【００９４】
ここで、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１とｎ−ＡｌＡｓ単結晶層との格子不整合率は０．１２［％］であり、ｎ−ＧａＡｌＮ単結晶層とｎ−ＧａＮコンタクト層２０３との格子不整合率は０．６６［％］である。
【００９５】
ｎ−ＧａＡｓ基板２０１の表面上には、例えば、ｎ−ＡｌＡｓ単結晶層（格子定数５．６６，バンドギャップエネルギー２．２［ｅＶ］，反射率２．９７，１層の厚さ１０［Å］）と、ｎ型のＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ単結晶層（格子定数３．１７，バンドギャップエネルギー４．１２［ｅＶ］，反射率２．５７，１層の厚さ１００［Å］）とを、交互に５〜１５層積層してなる超格子による整合層（反射層も兼ねる）１１２が形成される。この整合層１１２上には、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３（格子定数３．１９，バンドギャップエネルギー３．３９［ｅＶ］，反射率２．６７，層厚１．５〜３［μｍ］）が形成される。
【００９６】
整合層１１２，ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３，ＩｎＧａＮ発光層２０５，ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層２０６，ｐ−ＧａＮコンタクト層２０７は、ＭＯＣＶＤ法によりｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に順次連続して成長できるため、作業性、生産性に優れる。
【００９７】
格子不整合等の結晶性は、ＧａＡｓ基板２０１の１０４［ｃｍ−２］上に成長層が形成され、多層積層により格子不整合が改善されるため、青色ＬＥＤは低ＶＦ化、高出力化できる。
【００９８】
ＧａＡｓ基板２０１は上部の発光層２０５からの光を吸収するため、出力が減少するが、屈折率の異なる複数層を積層してなるブラッグ反射層を、格子不整合調整用の整合層１１２によって同時に形成することにより、発光層２０５からＧａＡｓ基板２０１へ向かう光を整合層１１２（反射率比２．９７／２．５７＝１．１６）で反射させて、輝度を高めることができる。
【００９９】
ＧａＡｓ基板２０１は、サファイア基板やＧａＮ基板よりも安価であり、ウエハーサイズも大きく、作業性もよい。
【０１００】
また、この実施の形態７のＬＥＤでは、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１の裏面にＡｕ等によるｎ電極１０９を備え、素子形状が段差構造でないため、チップサイズを小さくできる。
【０１０１】
以上のように実施の形態７によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた青色ＬＥＤを実現できる。
実施の形態８
図１６は本発明の実施の形態８である青色ＬＥＤの基本的な構成を示す図であり、図１０と同様のものには同じ符号を付してある。
【０１０２】
図１６において、実施の形態８のＬＥＤは、基板１０１と、第１の整合層１１３と、第２の整合層１１４と、ｎ型コンタクト層２０３と、発光層２０５と、ｐ型クラッド層２０６と、ｐ型コンタクト層２０７と、ｐ電極２０８と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。
【０１０３】
この実施の形態８のＬＥＤは、上記実施の形態４のＬＥＤ（上記図１０参照）において、金属層１０２および絶縁層１１０を第１の整合層１１３および第２の整合層１１４とし、ｎ型クラッド層２０４を設けない構成である。
［第１の整合層１１３，第２の整合層１１４］
ｎ型Ｓｉ基板１０１の表面上には、ｎ−ＡｌＡｓ単結晶層とｎ−ＧａＡｌＮ単結晶層とが多層に交互に積層された第１のｎ整合層１１３が形成されている。第１のｎ整合層１１３の表面上には、ｎ−ＧａＡｓ単結晶層とｎ−ＧａＮ単結晶層とが多層に交互に積層された第２のｎ整合層１１４が形成されている。第２のｎ型整合層１１４の表面上には、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３が形成されており、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３の表面上には、発光層２０５が形成されている。
【０１０４】
ここで、ｎ−Ｓｉ基板１０１とｎ−ＧａＡｌＮ単結晶層の格子不整合率は２．８［％］であり、ｎ−ＡｌＡｓ単結晶層とｎ−ＧａＡｓ単結晶層との格子不整合率は０．１２［％］である。
【０１０５】
ｎ−Ｓｉ基板１０１の表面上には、例えば、ｎ型のＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ単結晶層（格子定数３．１７，バンドギャップエネルギー４．１２［ｅＶ］，反射率２．５７，１層の層厚１６０［Å］）と、ｎ−ＡｌＡｓ単結晶層（格子定数５．６６，バンドギャップエネルギー２．２［ｅＶ］，反射率２．９７，１層の厚さ６［Å］）とを、交互に５〜１５層積層してなる第１の整合層１１３が形成される。第１の整合層１１３の表面上には、例えば、ｎ−ＧａＡｓ単結晶層（格子定数５．６５，バンドギャップエネルギー１．４３［ｅＶ］、反射率３．５９，１層の厚さ５［Å］）と、ｎ−ＧａＮ単結晶層（格子定数３．１９、３．３９［ｅＶ］、反射率２．６７、１層の厚さ１７４［Å］）とを、交互に５〜１５層積層してなる第２の整合層１１４が形成される。
【０１０６】
第１の整合層１１３および第２の整合層１１４の合計の反射率比は、２．９７／２．５７（第１の整合層１１３）×３．５９/２．６７（第２の整合層１１４）＝１．５５であり、発光層２０５からＧａＡｓ基板２０１へ向かう光を第１の整合層１１３および第２の整合層１１４で反射させて、輝度を高めることができる。
【０１０７】
以上のように実施の形態８によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた青色ＬＥＤを実現できる。
実施の形態９
図１７は本発明の実施の形態９である青色ＬＥＤの基本的な構成を示す図であり、図７または図１６と同様のものについては同じ符号を付してある。
【０１０８】
図１７において、実施の形態１０のＬＥＤは、基板１０１と、第１の整合層１１５と、第２の整合層１１４と、ｎ型コンタクト層２０３と、ｎ型クラッド層２０４と、発光層２０５と、ｐ型クラッド層２０６と、ｐ型コンタクト層２０７と、ｐ電極２０８と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。
【０１０９】
この実施の形態９のＬＥＤは、上記実施の形態８のＬＥＤ（上記図１６参照）において、ｎ型コンタクト層２０３と発光層２０５の間に上記実施の形態３のｎ型クラッド層２０４（上記図７参照）を設け、第１の整合層１１３を第１の整合層１１５とした構成である。
［第１の整合層１１５］
ｎ型Ｓｉ基板１０１の表面上には、ｎ−ＩｎＧａＮ単結晶層とｎ−ＡｌＡｓ単結晶層とが多層に交互に積層された第１のｎ整合層１１５が形成されている。ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３の表面上には、例えばｎ型のＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ（格子定数３．１７，バンドギャップエネルギー４．１２［ｅＶ］，反射率２．５７）からなるクラッド層２０４が形成されており、このｎ−ＧａＡｌＮクラッド層２０４の表面上には、ＩｎＧａＮ発光層２０５が形成されている。
【０１１０】
ここで、ｎ−Ｓｉ基板１０１とｎ−ＩｎＧａＮ単結晶の格子不整合率は、０［％］となる。
【０１１１】
従来は、ｎ型クラッド層２０４の下層に、このｎ型クラッド層２０４よりも屈折率が高く、発光波長に対して透明なｎ−ＧａＮコンタクト層２０３（格子定数３．１９，バンドギャップエネルギー３．１９［ｅＶ］，反射率２．６７）があると、このｎ−ＧａＮコンタクト層２０３への導波モードしみ出しが大きく、垂直横モードに影響を与えるという欠点があった。
【０１１２】
これに対し、この実施の形態９のＬＥＤでは、ｎ−ＧａＡｓ単結晶層を含む第２の整合層１１４を設け、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３は従来よりも薄く（厚さ１．５〜３［μｍ］）、大半は第２の整合層１１４のｎ−ＧａＡｓ層に吸収されてしまう。このため、垂直横モードは影響を与えることはない。
【０１１３】
また、レーザ共振器形成にとって重要なへき開は、従来のサファイア基板では容易にできないが、Ｓｉ基板１０１は、ＧａＡｓ基板と同様にへき開が可能であり、へき開は、この実施の形態９のＬＥＤにおいて最も厚いＳｉ基板１０１で左右されるため、容易である。
【０１１４】
以上のように実施の形態９によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた青色ＬＥＤを実現できる。
実施の形態１０
図１８は本発明の実施の形態１０である発光波長８００［ｎｍ］の半導体レーザ素子の基本的な構成を示す図であり、図１５と同様のものには同じ符号を付してある。
【０１１５】
図１８において、実施の形態１０の半導体レーザ素子は、基板２０１と、ｎ型整合層（ｎ型クラッド層）１１６と、ｎ型光ガイド層１１７と、発光層（活性層）３０５と、ｐ型光ガイド層１１８と、ｐ型クラッド層３０６と、ｐ型コンタクト層３０７と、ｐ電極２０８と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。
［整合層１１６］
ｎ−ＧａＡｓ基板２０１の表面上には、例えば、ｎ型のＧａ０．６Ａｌ０．４Ａｓ単結晶（格子定数５．６５，バンドギャップエネルギー１．７４［ｅＶ］、反射率３．３４、熱伝導率６２．８［Ｗ／ｍＫ］）と、ｎ型のＩｎ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ単結晶（格子定数３．３９，バンドギャップエネルギー２．５５［ｅＶ］、屈折率２．８、熱伝導率１０２［Ｗ／ｍＫ］）とを、交互に５〜１５層積層してなる超格子によるｎ型整合層（ｎ型クラッド層）１１６が形成される。
［ｎ型光ガイド層１１７，発光層３０５，ｐ型光ガイド層１１８］
ｎ型整合層１１６の表面上には、例えばｎ型のＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ（格子定数５．６６、バンドギャップエネルギー１．８３［ｅＶ］，屈折率３．１８）からなるｎ型光ガイド層１１７が形成される。ｎ型光ガイド層１１７の表面上には、例えばＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓ０．７５Ｐ０．２５（格子定数５．６６，バンドギャップエネルギー１．５５［ｅＶ］，反射率３．４２，発光波長８００［ｎｍ］）からなる発光層（活性層）３０５が形成される。発光層３０５の表面上には、例えばｐ型のＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ（格子定数５．６６，バンドギャップエネルギー１．８３［ｅＶ］，屈折率３．１８）からなるｐ型光ガイド層１１８が形成されている。
［ｐ型クラッド層３０６，ｐ型コンタクト層３０７］
ｐ型光ガイド層１１８の表面上には、例えば、ｐ型のＩｎ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ単結晶層（格子定数３．３９，バンドギャップエネルギー２．５５［ｅＶ］，屈折率２．８，熱伝導率１０２［Ｗ/ｍＫ］）と、ｐ型のＧａ０．６Ａｌ０．４Ａｓ単結晶層（格子定数５．６５、１．７４［ｅＶ］、反射率３．３４、熱伝導率６２．８［Ｗ/ｍＫ］）とを、交互に５〜１５層積層してなる超格子によるｐ型クラッド層３０６が形成されている。ｐ型クラッド層３０６の表面上には、ｐ型のＧａＡｓ（ｐ−ＧａＡｓ）からなるｐ型コンタクト層３０７が形成されている。
【０１１６】
ｎ−ＧａＡｓ単結晶層とｎ型のＧａＡｌＡｓ（ｎ−ＧａＡｌＡｓ）単結晶層の格子不整合率、およびｎ−ＧａＡｌＡｓ単結晶層とｎ−ＩｎＧａＮ単結晶層の格子不整合率は、いずれも約０［％］となる。
【０１１７】
ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、整合層１１６のｎ−ＧａＡｌＡｓ単結晶層からｐ−ＧａＡｓコンタクト層３０７まで、ＭＯＣＶＤ法により連続して形成できるため、生産性に優れる。
【０１１８】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０＜ｘ＜ｘｃ）（ｘｃ≒０．６）は直接遷移型であり、ｘ＝０．７５である（Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５）０．５Ｉｎ０．５Ｐは、バンドギャップエネルギーが１．９［ｅＶ］で間接遷移型となる。例えば、（Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる光ガイド層（バンドギャップエネルギー１．９［ｅＶ］）と、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎからなる発光層（バンドギャップエネルギー１．５５［ｅＶ］）とを備えた従来のレーザ構造では、光ガイド層と発光層とのエネルギーバンドギャップ差（０．３５［ｅＶ］）を大きくとれないという欠点があった。
【０１１９】
これに対し、この実施の形態１０では、直接遷移型のＩｎ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ（バンドギャップエネルギー２．５５［ｅＶ］）でｎ型整合層１１６およびｐ型クラッド層３０７をそれぞれ構成することにより、ｎ−ＩｎＧａＮおよびｐ−ＩｎＧａＮによるバリア層と、発光層３０５（バンドギャップエネルギー１．５５［ｅＶ］）とのエネルギーバンドギャップ差を１［ｅＶ］と大きくとれるため、光ガイド層と発光層とのエネルギーバンドギャップ差を大きくとれないという従来の欠点を解決することができた。このため、出力をさらに上げることができる。
【０１２０】
以上のように実施の形態１０によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた赤外ＬＤを実現できる。
実施の形態１１
図１９は本発明の実施の形態１１である発光波長８００［ｎｍ］の半導体レーザ素子の基本的な構成を示す図であり、図２または図１８と同様のものについては同じ符号を付してある。
【０１２１】
図１９において、実施の形態１１の半導体レーザ素子は、基板１０１と、ｎ型整合層（ｎ型クラッド層）１１９と、ｎ型光ガイド層１１７と、発光層（活性層）３０５と、ｐ型光ガイド層１１８と、ｐ型クラッド層３０６と、ｐ型コンタクト層３０７と、ｐ電極２０８と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。
【０１２２】
この実施の形態１１の半導体レーザ素子は、上記実施の形態１０の半導体レーザ素子（上記図１８参照）において、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１をｎ−Ｓｉ基板１０１とし、ｎ型整合層１１６をｎ型整合層１１９とした構成である。
［整合層１１９］
ｎ−Ｓｉ基板１０１の表面上には、例えば、ｎ型のＩｎ０．５Ｇａ０．３９Ａｌ０．１１Ｐ単結晶層（格子定数５．４３，バンドギャップエネルギー１．１５［ｅＶ］，反射率３．１９４，熱伝導率９７．８［Ｗ／ｍＫ］）と、ｎ型のＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ単結晶層（格子定数３．２６，バンドギャップエネルギー３．１［ｅＶ］，反射率２．７１，熱伝導率１２０．５［Ｗ／ｍＫ］）とを、交互に５〜１５層積層してなる超格子によるｎ型整合層１１９によりｎクラッド層が形成されている。このｎ型整合層１１９の表面上には、ｎ型光ガイド層１１７が形成されている。
【０１２３】
この実施の形態１１の半導体レーザ素子では、ｎ型整合層（ｎ型クラッド層）１１９においても放熱性がよく、発光層（活性層）３０５の放熱を改善でき、出力を上げることができる。
【０１２４】
また、この実施の形態１１の半導体レーザ素子では、ｎ型のＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ単結晶層（バンドギャップエネルギー３．１［ｅＶ］）でｎ型クラッド層（ｎ型整合層）１１９を構成するため、上記実施の形態１０と同様にｎ型クラッド層１１９と発光層（活性層）３０５のエネルギーバンドギャップ差を大きくとることができ、高出力化ができる。
【０１２５】
また、従来のレーザ構造では、端面の熱破壊レベルを上げるために、端面を発振光に対して透明にする「ウインドウ構造」を採用し、不純物であるＺｎの拡散によりバンドギャップを大きくして、発振光に対する吸収を低減しているが、Ｚｎが発光層（活性層）に拡散して非発光結合センターを作るため、寿命が短くなるという欠点があった。
【０１２６】
これに対し、この実施の形態１１の半導体レーザ素子では、Ｚｎを拡散させることなく、ｐ型のＩｎ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ単結晶層（バンドギャップエネルギー２．５５［ｅＶ］，屈折率２．８）でｐ型クラッド層３０６を構成することより、ｐ型クラッド層３０６のバンドギャップを大きくして、低屈折率の層で発光層（活性層）３０５を挟み、端面の熱破壊レベルを上げた。Ｚｎ等の不純物を拡散させないため、寿命の問題も解消された。
【０１２７】
Ｚｎを拡散した（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐにおいての光吸収のＡｌ組成ｘの依存性は、ｘ＝０であるＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ）で２５［ｍＷ］、ｘの増加とともに線形に増加し、ｘ＝０．７５ある（Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで９７［ｍＷ］であり、その差は７２［ｍＷ］）である。また、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０＜ｘ＜ｘｃ，ｘｃ≒０．６）は、直接遷移型であり、ｘ＝０であるＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐは、バンドギャップエネルギーが１．８３［ｅＶ］、ｘ＝０．７５である（Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５）０．５Ｉｎ０．５Ｐは、バンドギャップエネルギーが１．９［ｅＶ］で間接遷移型となる。この実施の形態１１の半導体レーザ素子では、直接遷移型のＩｎ０．５６Ｇａ０．４４Ｎでｐ型クラッド層３０７を構成することにより、従来のレーザ構造において光ガイド層と発光層とのエネルギーバンドギャップ差を大きくとれないという欠点を、上記実施の形態１０の半導体レーザ素子と同様に解決できた。
【０１２８】
これにより、
（１）転位の少ない高品質の結晶成長（１０５［ｃｍ−２］）層の形成、
（２）低転位のため結晶の改善による低ＶＦ化、
（３）熱伝導率の改善による高出力化、
（４）ＭＯＣＶＤ法による連続成長による高生産性、高効率化、
（５）大型ＧａＡｓ，Ｓｉ基板を使用することによる低コスト化、および従来のＧａＡｓ系、Ｓｉ系設備使用によるさらなる低コスト化、
（６）ｐ型クラッド層，ｎ型クラッド層による高屈折率差（１．１８〜１．２２）によって面発光化ができ、ｐ電極２０８上方へのレーザ出力が可能となる。
【０１２９】
以上のように実施の形態１１によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた赤外ＬＤを実現できる。
実施の形態１２
図２０は本発明の実施の形態１２である青色ＬＥＤの基本的な構成を示す図であり、図１０または図１６と同様のものには同じ符号を付してある。図２０の実施の形態１２のＬＥＤの素子サイズは、例えば０．７［ｍｍ］×０．７［ｍｍ］である。
【０１３０】
図２０において、実施の形態１２のＬＥＤは、基板１０１と、金属層１０２と、絶縁層１１０と、第１の整合層１１３と、第２の整合層１１４と、ｎ型コンタクト層２０３と、発光層２０５と、ｐ型クラッド層２０６と、ｐ型コンタクト層２０７と、ｐ電極２０８と、ｎ電極１０９を備えた構成である。
【０１３１】
この実施の形態１２のＬＥＤは、上記実施の形態８のＬＥＤ（上記図１６参照）において、ｎ−Ｓｉ基板１０１と第１の整合層１１３の間に金属層１０２および絶縁層１１０（上記図１０参照）を設けた構成である。
【０１３２】
ｎ−Ｓｉ基板１０１の表面上には、Ａｌ単結晶を積層した金属層１０２が形成されている。金属層１０２の表面上には、ＳｉＯ２からなり、多孔部を有する絶縁層１１０が形成されている。多孔部を有するＳｉＯ２絶縁層１１０の表面上には、ｎ−ＡｌＡｓ単結晶層とｎ−ＧａＡｌＮ単結晶層とが多層に交互に積層された第１のｎ整合層１１３が形成されている。
【０１３３】
ここで、Ａｌ単結晶金属層１０２は、厚さ（層厚）１〜２［μｍ］であり、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等で成長させたものである。多孔部を有するＳｉＯ２絶縁層１１０は、Ａｌ単結晶金属層１０２の表面上にＣＶＤ法でＳｉＯ２層が形成された後、エッチング等によりＡｌ単結晶金属層１０２の表面に達する多孔部を開けたものである。第１の整合層１１３は、多孔部を設けたＳｉＯ２絶縁層１１０上に、例えば、ｎ型のＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ単結晶層（格子定数３．１７，バンドギャップエネルギー４．１２［ｅＶ］，反射率２．５７，１層の層厚１６０［Å］）と、ｎ−ＡｌＡｓ単結晶層（格子定数５．６６，バンドギャップエネルギー２．２［ｅＶ］，反射率２．９７，１層の厚さ６［Å］）とを、交互に５〜１５層積層したものである。第２の整合層１１４は、第１の整合層１１３の表面上に、例えば、ｎ−ＧａＡｓ単結晶層（格子定数５．６５，バンドギャップエネルギー１．４３［ｅＶ］、反射率３．５９，１層の厚さ５［Å］）と、ｎ−ＧａＮ単結晶層（格子定数３．１９、３．３９［ｅＶ］、反射率２．６７、１層の厚さ１７４［Å］）とを、交互に５〜１５層積層したものである。ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３は、第２の整合層１１４の表面上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等の気相成長法で成長させたものである。
【０１３４】
第１の整合層１１３および第２の整合層１１４は、ＳｉＯ２絶縁層１１１の多孔部下のＡｌ単結晶金属層１０２上に成長し、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３は、第２の整合層１１４上に成長し、ＳｉＯ２絶縁層１１１上では横方向成長するため、格子不整合による結晶性は、１０５〜１０６［ｃｍ−２］に改善される。
【０１３５】
ｎ−Ｓｉ基板１０１とｎ−ＧａＡｌＮ単結晶層の格子不整合率は２．８［％］であり、ｎ−ＡｌＡｓ単結晶層とｎ−ＧａＡｓ単結晶層との格子不整合率は０．１２［％］である。
【０１３６】
また、反射率比は２．９７／２．５７（第１の整合層）×３．５９／２．６７（第２の整合層）＝１．５５で輝度を高めている。
【０１３７】
ｎ型Ｓｉ基板１０１の熱伝導率は１５１［Ｗ／ｍＫ］、Ａｌ金属層１０２の熱伝導率は６．３×１０４［Ｗ／ｍＫ］、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３の熱伝導率は１３０［Ｗ／ｍＫ］となり、放熱性のよい構造となる。
【０１３８】
ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３上には、青色光（波長４５０〜４８０［ｎｍ］）を発光する発光層２０５，ｐ型のＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎからなるｐ型クラッド層２０６，ｐ−ＧａＮコンタクト層２０７が、ＭＯＣＶＤ法により順次連続して積層形成される。格子不整合は少なく、結晶性は、Ｓｉ基板の１０４［ｃｍ−２］レベルで上方向に成長し、１０５〜１０６［ｃｍ−２］に改善されるため、青色ＬＥＤは低ＶＦ化、高出力化ができる。
【０１３９】
ｎ−Ｓｉ基板１０１は、上部の発光層２０５からの光を吸収するため、出力が減少するが、Ａｌ金属層１０２にて反射層の形成することにより、発光層２０５からｎ型Ｓｉ基板１０１へ向かう光を反射させて輝度を高めた。
【０１４０】
ｎ−Ｓｉ基板１０１は、サファイア基板やＧａＮ基板よりも安価であり、ウエハーサイズも大きく、作業性もよい。
【０１４１】
また、この実施の形態１２のＬＥＤでは、ｎ型Ｓｉ基板１０１の裏面にＡｕ等によるｎ型電極１０９を備え、素子形状が段差構造でないため、従来の組立のときに２ワイヤー必要なのに対し、１ワイヤーですみ、生産性がよい。
【０１４２】
また、この実施の形態１２のＬＥＤは、素子サイズが小さい（０．７［ｍｍ］×０．７［ｍｍ］）ため、ｐ電極２０８は、素子中央部に形成されるが、サイズが０．１［ｍｍφ］であり、Ａｌ単結晶金属層１０２（反射層）の面積０．７［ｍｍ］×０．７［ｍｍ］と比較して面積比１．６［％］であるため、影響がない。
【０１４３】
以上のように実施の形態１２によれば、指向性が均一で発光特性に優れ、格子不整合の少なく放熱特性に優れ、高出力タイプで経済性に優れた青色ＬＥＤを実現できる。
【０１４４】
なお、上記実施の形態１２は、上記実施の形態８に上記実施の形態４の金属層１０２および多孔部を有する絶縁層１１０を設けたものであるが、上記実施の形態１等の金属層１０２および多孔部を有する絶縁層１１０、あるいは上記実施の形態５等の多孔部を有する金属層２０２および絶縁層１１０を、上記実施の形態７〜１１に適用することも可能である。
【０１４５】
なお、本発明は上記実施の形態１〜１２に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。
【０１４６】
例えば、上記実施の形態では、４元系化合物半導体を用いた半導体発光素子およびＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体発光素子について説明したが、他の半導体材料、例えばＩｎＧａＡｌＮのＮの１部または全部をＡｓおよび/またはＰ等で置換した材料やＧａＡｓ系化合物半導体を用いた気相成長方法にも本発明を適用できる。
【０１４７】
また、上記実施の形態では、ＧａＮ系化合物半導体を用いた可視発光素子について説明したが、裏面にｎ電極を設けた基板の上部の金属層の表面上に形成された多孔部をもつ絶縁層と、この絶縁層の表面上に形成されたｐｎ接合としてのｎ型クラッド層，ＧａＮ発光層，ｐ型クラッド層と、その上部に形成されたｐ電極とを有する紫外光ＬＥＤ，ＬＤ（３４０〜４２０［ｎｍ］）についても本発明が適用できる。特徴としては、放熱性に優れ、金属層による上方への反射（８０［％］）により、高出力で、素子全体でほぼ均一に電流が流れようにして発光量を素子中央と素子周辺部で同じとすることにより、発光指向特性が平坦化される。発光層からの光は、Ａｌ金属層により上方へ反射（８０［％］）されるため、紫外光が基板に吸収されるロスは少ない。上記図７〜図１４のＬＥＤから、ｎ型コンタクト層２０３、ｐ型コンタクト層２０７を除いたものと同じ構成となるため、放熱性の良い、光吸収の少ない、格子不整合の少ない、結晶性のよい紫外ＬＥＤ，紫外ＬＤを提供できる。
【０１４８】
また、上記実施の形態では、ダブルへテロ構造について説明したが、クラッド層、発光層は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、または量子ドット構造にて構成してもよい。
【０１４９】
また、上記実施の形態では、発光素子の構造を説明するために、便宜上、基板が下層に位置し、これに結晶層が上方へ積み重ねられる構造とし、下層側をｎ型、上層側をｐ型として説明したが、ｎ側を上層側、ｐ型を下層側とした構成としても良い。
【０１５０】
また、上記実施の形態では、半導体発光素子としてＬＥＤおよびＬＤを説明したが、例えばｐ型クラッド層やｐ型コンタクト層に電流狭窄層を設けたレーザ構造としてもよい。
【０１５１】
また、上記実施の形態の発光層を活性層とし、この活性層の出力をｐ電極上に出力する面発光型レーザを構成することもできる。
【０１５２】
また、上記実施の形態では、基板をｎ型のＳｉ，ＧａＡｓとしたが、例えばサファイア基板，ＳｉＣ基，ＧａＮ基板，ＡｌＮ基板，ＩｎＰ基板等、格子間の整合性や熱膨張等を考慮して、基板を適宜選択することもできる。
【０１５３】
また、上記実施の形態では、ｎ側電極を、Ａｕにより形成されているとしたが、Ａｌにより形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】本発明の実施の形態１であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態３であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態４であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態４であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態４であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態５であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態６であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態７であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態８であるＬＥＤの構成を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態９である半導体レーザ素子の構成を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態１０である半導体レーザ素子の構成を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態１１である半導体レーザ素子の構成を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態１２であるＬＥＤの構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１５５】
１０１，２０１  基板
１０２，２０２  金属層
１０３，２０３  ｎ型コンタクト層
１０４，２０４  ｎ型クラッド層
１０５，２０５，３０５  発光層
１０６，２０６，３０６  ｐ型クラッド層
１０７，２０７，３０７  ｐ型コンタクト層
１０８，１０８’，２０８  ｐ電極
１０９  ｎ電極
１１０  絶縁層
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ  多孔部
１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１９  整合層
１１７  ｎ型光ガイド層
１１８  ｐ型光ガイド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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